電磁脈沖模擬器空間電場測量系統的硬件電路設計及仿真畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 照射器就是典型的偶極子天線。(3) 靜態模擬器靜態模擬器是一種結構尺寸遠小于激勵信號波長的模擬器。故常稱其為駐定場模擬器。它適用于對低頻場或準靜態場的模擬。由于產生的模擬場不傳播，也稱之為零維模擬器。這種模擬器的理想之處在于，它所產生的入射場在被試系統附近都是均勻的。(4) 混合型模擬器混合型模擬器綜合了偶極子模擬器和靜態模擬器的主要特點。(5) 定向輻射模擬器定向輻射也是系統遠離模擬器結構的一種模擬方法。所謂定向輻射是相對于偶極子模擬器無方向性的輻射而言的，它將脈沖有限的能量集中在一定的角度范圍內輻射，借以提高模擬器的效率。(6) 源區電磁脈沖環境的模擬電磁脈沖源區是康普頓電流分布的區域，源區內的空氣介質具有隨時間非線性變化的電導率，并在其中形成傳導電流。如果核爆炸在地面附近發生，大地巖土介質的電導率也將發生變化。E／H比值也不像自由空間那樣呈簡單的常數關系。此外，γ和中子的效應也很重要。因此源區是一個多變量的復雜環境。如果要把源區所有的特性準確的模擬出來。無疑是一個十分困難的問題。就目前的技術水平來看，根據研究問題的需要，建造一些只能產生部分源區特性的模擬器是可能的，特別是對大型的試驗系統，一般只能考慮單一因素或特別感興趣的某些因素的模擬．只有對很小的試驗系統的一個小部分上產生“全部”源區環境是可能的。但不論何種模擬器，都是由脈沖源和電磁場形成裝置兩大部分組成的。本文實驗所用的電磁脈沖模擬器系統由高重頻脈沖源分系統、小型平板形有界波模擬器分系統構成，其結構圖如圖21： 圖21 電磁脈沖模擬器系統總體設計框圖 高壓脈沖源脈沖源是電磁脈沖模擬器中為電磁脈沖形成裝置提供電磁能量的裝置。脈沖源通常為峰值電壓達數千伏至數兆伏的高壓脈沖發生器，其輸出的脈沖可以是單次的或以一定頻率重復的波形。由于所要模擬的電磁脈沖的上升時間極短而且峰值長槍比較高，故脈沖源的建造必須采用脈沖功率技術。所謂脈沖功率技術(ulsed power technology)是指將很大的能量(通常為幾百千焦耳至幾十兆焦耳)儲存在儲能元件中，然后通過快速開關(動作時間在納秒左右)將此能量在納秒至微秒時間內釋放到負載上，以得到極高的功率。它是一種電物理技術，也是納秒脈沖電子學。是通用高電壓技術以及應用物理學相結合的產物。脈沖功率系統包括初級儲能、脈沖儲能和傳輸幾部分．初級儲能常采用馬克斯發生器或脈沖電容器組、脈沖變壓器(包括直線型和特斯拉型)等。脈沖儲能主要有傳輸線型的電容儲能(包括同軸型和平板型)和電感儲能(同軸型和螺旋線型)方式，它們分別通過高功率閉合開關和斷路開關，實現電脈沖壓縮和功率放大．脈沖儲能可以由一級或幾級組成，末級也有采用磁感應方式，實現脈沖電壓倍加(又稱感應電壓加法器)、能量會聚，最后通過真空磁絕緣傳輸線把能量傳輸給負載。脈沖功率系統的復雜程度決定于負載對它的要求、系統開關性能和初級儲能向脈沖儲能放電的快慢程度。脈沖功率裝置不僅成為脈沖輻射模擬的最有效的實驗手段，而且在慣性約束(ICF)、新概念武器(激光武器、微波武器、電磁脈沖彈、粒子束武器、電磁炮、電熟炮等)等國防和能源領域研究中得到重要應用，在其他民用領域中也有廣闊的發展前景，如脈沖x射線源用于消毒滅菌。脈沖離子束源用于材料表面改性，以及利用脈沖功率裝置進行脫硫、脫硝、污水凈化等環保應用和作為石油開采、勘探的供能系統，乃至醫療上對人體內結石破碎等。脈沖功率技術是以20世紀60年代英國原子武器研究中心(AWRE)的馬丁(JC Martin)領導的研究小組，基于經典的Marx發生器技術，發明用于核武器強脈沖T射線效應模擬的高壓脈沖傳輸線型強流脈沖電子加速器為標志而迅速發展起來的i3s脈沖源一般采用雙指數波形，這種波形可以用RC放電回路實現，其原理圖如圖22所示：圖22 脈沖發生器放電回路圖中C為充電電容，R為負載，K為脈沖發生器放電回路開關，L為放電回路分布電感，E為充電電壓。結合初始條件，此放電回路方程的解為 （21）式中，，一個典型的雙指數波模擬波形如圖23所示：圖23 一個典型的雙指數波模擬波形由于分布電感的存在，使放電回路的電流上升沿的存在，使脈沖包含的高頻分量的幅值變低了，因此，要達到模擬實際電磁脈沖爆炸效果，應盡量減少脈沖的上升時間。利用較低的工作電壓獲得較高的脈沖電壓輸出，通常的做法是利用變壓器升壓，然而，由于有界波模擬器脈沖源的脈沖需要納秒級的上升前沿，升壓變壓器的漏感較大，影響脈沖的前沿，因此，直接采用變壓器升壓的方式不大合適，考慮到這些因素后，本實驗擬采用感應疊加技術，其電路拓撲如圖24所示（圖中只畫出了2級疊加，實際采用5級）：圖24 感應疊加式輸出系統由多個獨立的感應疊加子系統構成，共同連接到同一個模擬器負載，如圖24所示。這樣，通過控制觸發時序，我們即可在負載上得到需要的重頻脈沖，由此可見，采用不同級數的感應疊加的輸出方式后，選用氫閘流管峰值陽極電壓要求可以成倍降低，如選用33kV的峰值陽極電壓氫閘流管，只用2級即可滿足輸出電壓要求。采用感應疊加輸出的方式還有如下優點：①有效減小放電回路分布電感，進一步提高脈沖上升沿。②系統5個獨立的電磁脈沖模擬發生器完全實現物理上的隔離，減少電磁脈沖模擬發生器間的連續放電干擾。③方便實現輸出極性的轉換。④減輕充電電源及部分裸露導線聯接部分的電暈放電，增加電源的可靠性。由于真實的電磁爆炸電磁脈沖上升沿極快，為了模擬真實的電磁爆炸，要求脈沖源輸出脈沖有很快的前沿，其前沿時間一般在20ns之內，脈沖的上升時間主要由分布電感和負載兩個因素決定，負載由模擬器和吸收負載等2部分組成，平板型模擬器前過渡段、平行板段、后過渡段、終端匹配負載等幾個部分組成，體積較大，回路較長，顯然通過優化放電回路的結構（如合理走線等），可以有效減少分布電感，除合理走線等工程常規措施外，采用同軸屏蔽結構的輸出方式被認為是最有效的技術手段。如此，按照本實驗設計要求，峰值電壓約在19ns左右出現，其從90%10%的下降沿約為370ns，設計歸一化后的輸出波形如圖25：圖25 脈沖激勵峰值電壓歸一化 小型平板形有界波模擬器本文所用到的模擬器是小型平板形有界波模擬器，有界波EMP(電磁脈沖)模擬器是模擬高空HEMP(核爆炸電磁脈沖)早期輻射環境的裝置，通過產生雷電及核電磁脈沖環境，進行EMS的各種效應試驗，該裝置廣泛應用于電子設備和分系統EMP輻射敏感度測試、屏蔽室電磁脈沖屏蔽效能測試等。有界波電磁脈沖模擬器它采用了與波導類似的結構，其截面可用兩個正交的坐標來描述，波在第三個正交坐標方向上傳播。在波的傳播方向上的電磁波分量很小，基本上可以看作是TEM波。在波的傳播過程中，模擬器結構形成了導波的邊界，故稱之為有界波模擬器。如圖26所示，有界波平板式電磁脈沖模擬器主要由脈沖源、前過渡段、平行板段、后過渡段、終端匹配負載等幾個部分組成，模擬器上半部分與下半部分關于Y軸對稱[1]。圖26 平行金屬板有界波模擬器的結構模擬器的電磁特性是由脈沖源的等效電容和電感以及傳輸線的阻抗3個要素決定的。由脈沖源的電容和傳輸線阻抗構成脈沖衰落部分的時間常數，而脈沖上升時間的時間常數則與脈沖源的電感成正比，與傳輸線的阻抗成反比。場強的峰值則與脈沖源的工作電壓(V0)成正比而與工作空間高度(h)成反比，即：通常脈沖源的幾何尺寸相對于工作空間要小得多，為了保證脈沖源激勵的電磁波無及射、無損耗的傳輸到工作空閥，必須引入一前過渡段，要求從過渡段到工作空的阻抗不變。對平行段，其傳輸線線阻抗為工作空間高與寬之比的函數，近似為式中：h——平行傳輸線的高度，單位(米)a——平行傳輸線的半寬度，單位(米)理論表明只要做到過渡段各截面的高度比不變，其阻抗就能保持不變。于是將過渡段設計為錐板狀。同樣的理由，為消除終端反射，所用電阻性負載與平行線板之間也需要這樣一個成過渡段。在前過渡段中，波基本以球面波的形式傳播，為使工作空間的波前接近平面波，前過渡段的長度應為工作空間高度的兩倍以上。在有界波模擬器設計時，我們遵循如下原則：(1) 有效性原則。即有界波模擬器其工作空間內電磁場分布及傳播應盡量能模擬真實的電磁爆炸過程。在工作區域內傳播的電場要盡量均勻，并以TEM波的方式傳播，即如圖30所示電場應該主要為垂直分量，水平分量盡可能的小。由理論分析及仿真結果可知：在模擬器前后過渡段各尺寸以及工作區間的高度和長度均不變時，隨著工作區間寬度的增加，垂直電場分量會逐漸變大,其余方向的電場分量逐漸減小，電磁波傳播模越來越接近TEM模。所以適當增加工作區的寬度可以更好地獲得真實的電場分布；同時過渡段和工作區連接處的連續性會決定模擬器表面電流分布的連續性，而在連接處的不連續性會導致工作區電場在峰值點附近有一定的小起，影響電場的均勻性。所以過渡段的幾何結構必須和工作區的幾何尺寸結合起來共同優化設計，降低不連續性；端口的阻抗匹配程度差不可避免地會存在反射波，模擬器內空間的電場是入射波電流產生的電場和反射波電流產生的電場的矢量疊加，從而將會導致電場分布偏離理想的分布，精確的阻抗匹配可以在頻域通過實驗的辦法解決。(2) 可測量性原則。該原則在要求有界波模擬器其工作空間內電磁場分布盡可能均勻，不出現突變的奇點的情況下，還要考慮電壓測試探頭的寄生效應對工作區域內電場的影響程度小，所以在設計或選用探頭時必須考慮到模擬器的幾何結構。(3) 經濟性原則。設計出小型化但同時滿足前兩項原則的有界波模擬器。經優化計算，本實驗所建立如圖13所示的平板型有界波模擬器，該空間結構尺寸的平板型有界波模擬器其前過渡段、平行板段、后過渡段阻抗均為170Ω。圖27 本實驗所設計平行板型有界波模擬器結構 本章小結本章主要介紹了電磁脈沖模擬器的相關知識。其中包括電磁脈沖模擬器的構成部分，高壓脈沖源的介紹和技術要求和小型平板形有界波模擬器設計。第三章 電磁脈沖模擬器空間電場測量系統的研制 測量系統的整體方案本文所設計的測量系統目的在于將瞬變的空間電場信號通過采集，在上位機中顯示。其中，要獲取電場信號必須有可以感應電場的探頭，既電場傳感器；之后，探頭輸出的信號經過濾波、衰減、隔離等一些處理后進入高速數據采集裝置；在軟硬件相結合的環境下，高速數據采集卡將采集的數據進行轉換、儲存，最后在上位機中顯示。系統框圖如圖31：圖31 測量系統框圖偶極子傳感器的原理圖如圖32所示，其中l ,r分別表示偶極子的長度和半徑，Zc表示負載阻抗，C表示偶極子傳感器的等效電容。 (a) 偶極子 (b) 等效電路圖32 偶極子傳感器的原理圖由圖15(b)等效電路可得電壓VO的表達式： (31)式(31)中的轉折頻率為1/(CZC) ，在低頻段，感應電壓VO與電場強度的關系是： (32)其中θ是偶極子矢量與電場強度矢量之間的夾角，通過對感應電壓VO的積分運算來確定電場強度，而積分運算可采用無源積分器來實現。在高頻段，感應電壓VO與電場強度的關系是： (33)式(33) 中感應電壓VO與電場強度的關系表現出線性特性，因此，為了實現保持這種線性關系，可通過匹配負載阻抗Zc和提高偶極子傳感器的等效電容來實現。電磁脈沖模擬器電場測量可按式(33) 高頻近似法來計算并設感應電壓VO的標定系數為Kv，則電場強度可表示為： (34)測量的電壓經式(34)換算可得到電場值[3]。送入數據采集系統的各種待轉換物理參數如溫度、壓力、位移、流量等都是模擬量。首先要把這些模擬量轉換成電信號，才能由電路實現進一步的處理。把各種物理量轉換成電信號的器件稱為傳感器。傳感器給出的電信號往往遠不是所需要的理想狀態，這就需要對信號加以調理。一般的數據采集系統分為模擬信號調理部分和數字部分。其中模擬部分完成輸入阻抗變換、根據信號大小進行增益調節及抗混疊濾波等，因此模擬信號調理電路在數據采集系統中具有重要的作用。對環境噪聲的抑制能力、自身對有用信號的干擾和采樣精度等都是模擬信號調理電路中必須要考慮的問題。特別是對信號幅度微弱、干擾和噪聲幅度大、精度要求高、動態范圍大、數據的時實性要求高的情況。對模擬信號